【Nat Communi】 突破！水稻一基因启动子上的SNP让旱稻能抗旱

近日，中国农业大学农学院水稻研究中心李自超教授团队在《自然-通讯》(Nature Communications) 发表了题为 "Natural variation of DROT1 confers drought adaptation in upland rice" 的研究论文，解析了旱稻抗旱的遗传机制，克隆了一个重要抗旱基因 DROUGHT1 (DROT1)，揭示了其抗旱的分子调控机制，并鉴定出抗旱优异单倍型。

稻属作物在长期演化过程中，由于地理环境的差异和生产种植方式的多样化，形成了两种不同的生态类型：水稻 (lowland rice) 和旱稻 (upland rice)。传统的水稻种植中，整个生长周期需要充足的水分和淹水的环境条件，而旱稻主要种植于干旱、半干旱的通透性土壤中，与水稻相比，可节约 80% 以上灌溉用水。先前研究表明，水、旱稻基因组存在明显的分化，尤其在粳稻亚群。然而，目前对水、旱稻分化的遗传基础仍然缺乏理解，利用旱稻发掘的抗旱基因很少，这极大地限制了稻作抗旱分子育种的进程。通过水、旱稻种质资源开展正向遗传学研究，发掘具有重要育种价值的抗旱基因，对于抗旱分子育种至关重要。

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DROT1 正向调控水稻抗旱性

对 271 份水、旱稻种质资源进行大田干旱环境下的苗期表型鉴定，利用 GWAS 定位抗旱遗传位点，并结合旱稻导入系抗旱表型，以及水旱稻转录组分析，确定一个抗旱候选基因，命名为 DROT1 。通过转基因功能验证，发现敲除 DROT1 能够显著降低水稻植株抗旱性，而超表达 DROT1 可以显著增强水稻抗旱性。在大田中度干旱胁迫条件下，超表达 DROT1 的植株生物量显著增加，而敲除植株的生物量和产量均显著降低。这意味着 DROT1 的抗旱性能够在大田干旱环境下得以体现。

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DROT1 通过调控维管组织

细胞壁的结构来提高抗旱性

通过 GUS 染色和激光微切割分离组织表达鉴定，证明 DROT1 主要在维管组织中表达。亚细胞定位显示 DROT1 蛋白主要定位于细胞壁。对转基因材料叶片组织中纤维素、半纤维素和木质素进行化学方法测定，同时对转基因材料叶片进行切片，并利用中远红外光谱显微成像原位标定三素含量。两种方法均发现只有在干旱环境下，纤维素的含量在 DROT1 超表达材料中显著增加，而在敲除材料中显著降低。利用 X 射线小角衍射对转基因材料的纤维素结晶度进行分析，发现在干旱环境下， DROT1 超表达可以提高纤维素结晶度，敲除 DROT1 可以降低纤维素结晶度。

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DROT1 受到抗旱转录因子

 ERF3 和 ERF71 的直接调控

研究表明 DROT1 的表达受到干旱诱导，启动子具有三个 GCC box ，是 ERF 家族转录因子结合位点。进一步通过瞬时转录激活实验、Y1H、EMSA、ChIP-PCR等实验证明 ERF3 可以直接抑制 DROT1 表达，而 ERF71 可以直接激活 DROT1 表达。通过遗传互作实验也表明它们属于同一个遗传调控通路。

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DROT1 的自然变异赋予

旱稻对旱生环境的适应性

对 DROT1 单倍型分析发现，Hap3 是旱稻特异单倍型，其启动子的一个关键 SNP 由 C 变为 T，显著增强了 DROT1 在旱稻中的表达量，进而提高旱稻抗旱性。该变异可能起源于东南亚地区的偏籼型野生稻，随着栽培稻的分化传入籼稻，然后在稻作适应干旱的过程中，由籼稻渗入热带粳稻，并逐渐在热带粳稻中聚集。这与旱粳稻中绝大多数是热带粳稻相吻合，说明 DROT1 在旱稻形成过程中发挥了重要作用。

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结论与讨论

本研究利用稻种资源，通过 GWAS、水、旱稻 ILs 连锁分析，并结合转录组分析克隆了一个抗旱基因 DROT1，该基因通过调控细胞壁结构来提高水稻抗旱性。利用稻种资源发掘的优异自然变异将为旱稻分子育种提供重要的基因资源。

中国农业大学农学院 李自超 教授为通讯作者，博士后 孙兴明、熊海燕 为本研究第一作者。中国农业大学农学院 朱万斌 教授、植物保护学院 彭友良 教授、工学院 韩鲁佳 教授、杨增玲 教授，中国科学院遗传与发育研究所 周奕华 研究员等对研究工作进行了指导和帮助。该研究得到了科技部重点研发项目（2021YFD1200502）、国家自然科学基金（31861143007, 32001521,31601278）、中国博士后科学基金（2019M650902）、三亚研究院引导资金项目（崖州湾科技城项目 SYND-2022016）和海南崖州湾种子实验室揭榜挂帅项目（B21HJ0508）的资助。

团队简介

李自超 教授团队长期从事稻种资源基因组学、稻作抗旱、耐冷的遗传机理及其分子育种工作，在水稻遗传资源核心种质研究方面率先提出核心种质构建系统的理论及技术体系。利用水、旱稻，耐冷种质和微核心种质构建数万份DH、NIL、ILs 和 MCC-NAM 等一系列遗传材料，在水稻抗旱、耐冷、产量等研究领域发掘了十余个重要基因，并分别在发表国际重要期刊 Nature Communications、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology、BMC Biology 等发表。

转自：iPlants

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